(57)【要約】      （修正有）【課題】微小なエミッタが高密度で集積した大電流密度の可能な電界放出型電子源素子を、安定に、再現性良く提供する。【解決手段】電界放出型電子源素子は、急峻な先端を有するように基板１上に形成された導電性を有する複数のエミッタ１ｂと、各エミッタ１ｂの先端から電子が放出されるように各エミッタ１ｂに電圧を印加するために各エミッタ１ｂを囲むように形成された引出電極６ａとを具備しており、各エミッタ１ｂに含まれる不純物の濃度は、各エミッタ１ｂの先端において局所的に高くなっている。【選択図】図１
2005129268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
急峻な先端を有するように基板上に形成された導電性を有する複数のエミッタと、
各エミッタの先端から電子が放出されるように各エミッタに電圧を印加するために各エミッタを囲むように形成された引出電極とを具備しており、
各エミッタに含まれる不純物の濃度は、各エミッタの先端において局所的に高くなっていることを特徴とする電界放出型電子源素子。
【請求項２】
前記不純物は、ドナー性不純物である、請求項１記載の電界放出型電子源素子。
【請求項３】
前記基板は、ホウ素を不純物として含んでおり、
前記ドナー性不純物は、リンと砒素とから選択される少なくとも１つを含んでいる、請求項１記載の電界放出型電子源素子。
【請求項４】
前記引出電極と前記基板との間に形成された絶縁層をさらに具備する、請求項１記載の電界放出型電子源素子。
【請求項５】
導電性シリコン基板、若しくは表面層に不純物を導入してその表面を導電性としたシリコン基板の表面に耐熱性絶縁膜よりなる所定の形状のマスク越しに不純物を注入した後、前記マスクの端部から中心部に向かって注入された不純物が半円弧状に分布する条件によって熱処理を行い、続けて前記マスクに対してシリコン表面の異方性エッチングを行って柱状シリコンを形成し、その後前記マスクを残したまま表面全体の熱酸化を行って前記柱状シリコンの上部に急峻な突起を形成することを特徴とする電界放出型電子源の製造方法。
【請求項６】
導電性シリコン基板、若しくは表面層に不純物を導入してその表面を導電性としたシリコン基板の表面に耐熱性絶縁膜よりなる所定の形状のマスク越しに不純物を注入した後、前記マスクの端部から中心部に向かって注入された不純物が半円弧状に分布する条件によって熱処理を行い、続けて前記マスク越しに不純物が注入された領域を選択的にエッチング除去して前記マスク下部に先端が凸状のシリコンを形成し、更に続けて前記マスクに対して異方性のエッチングを行って先端部が凸状の柱状シリコンを形成し、その後前記マスクを残したまま表面全体の熱酸化を行って前記柱状シリコンの上部に急峻な突起を形成することを特徴とする電界放出型電子源の製造方法。
【請求項７】
導電性シリコン基板、若しくは表面層に不純物を導入してその表面を導電性としたシリコン基板の表面に耐熱性絶縁膜よりなる所定の形状のマスク越しに気相拡散又は固相拡散によって前記マスクの端部から中心部に向かって半円弧状に不純物の拡散を行い、続けて前記マスクに対してシリコン表面の異方性エッチングを行って柱状シリコンを形成し、その後前記マスクを残したまま表面全体の熱酸化を行って前記柱状シリコンの上部に急峻な突起を形成することを特徴とする電界放出型電子源の製造方法。
【請求項８】
導電性シリコン基板、若しくは表面層に不純物を導入してその表面を導電性としたシリコン基板の表面に耐熱性絶縁膜よりなる所定の形状のマスク越しに気相拡散又は固相拡散によって前記マスクの端部から中心部に向かって半円弧状に不純物の拡散を行い、続けて前記マスク越しに不純物が拡散された領域を選択的にエッチング除去して前記マスク下部に先端が凸状のシリコンを形成し、更に続けて前記マスクに対して異方性のエッチングを行って先端部が凸状の柱状シリコンを形成し、その後前記マスクを残したまま表面全体の熱酸化を行って前記柱状シリコンの上部に急峻な突起を形成することを特徴とする電界放出型電子源の製造方法。
【請求項９】
前記マスクの外径が０．５マイクロメートル以下である、請求項５ないし請求項８のいずれかに記載の電界放出型電子源の製造方法。
【請求項１０】
前記不純物が注入又は拡散された領域の深さは、形成される凸状の柱状シリコンの高さの２分の1以下である、請求項５ないし請求項８のいずれかに記載の電界放出型電子源の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面型の固体表示素子又は超高速の微小真空素子等への応用が期待される冷陰極電子源であって、特に大電流動作の実現が可能な電界放出型電子源に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の微細加工技術の進展により、微小電界放出陰極の形成が可能となった。スピントらによって提案されたコーン型の電界放出陰極（特許文献１：Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ、  Ｊ．Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．３９、  ｐ．３５０４（１９８６））以来、微小電界放出型電子源が注目されるに至っている。
【０００３】
その後、同様の縦型構造でシリコンの結晶異方性エッチングやドライエッチングと熱酸化とを用いて、エミッタの先端形状がより鋭い冷陰極を形成する方法が提案された（特許文献２：  Ｈ．Ｆ．Ｇｒａｙ  ｅｔ  ａｌ．，  ＩＥＤＭ  Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇ．  ｐ．７７６（１９８６））、特許文献３：別井、１９９０年秋季信学全大論文集５、ＳＣ−８−２（１９９０））。
【０００４】
一方、本発明者らのグループは、より低い電圧で動作可能なタワー型電子源を提案した（特許文献４：ヨーロッパ公開公報：６３７０５０Ａ２）。図４（ａ）ないし図４（ｈ）は、従来の電界放出型電子源素子の製造方法を示す断面図である。
【０００５】
まず、図４（ａ）に示すように、シリコン結晶基板１２１の（１００）表面に熱酸化法により酸化シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィイにより１マイクロメートル（μｍ）以下の径を有する円盤状の微小エッチングマスク１２２Ｂに加工する。
【０００６】
次に、円盤状の微小エッチングマスク１２２Ｂを用いてシリコン基板１２１に対して異方性ドライエッチングを行うことにより、微小エッチングマスクの下部にシリコンよりなる円柱体１２４Ａを形成する（図４（ｂ））。
【０００７】
その後、この円柱状体１２４Ａに結晶異方性エッチングを行うことにより、側面が（３３１）面を含む面によって形成され、かつ頂部が互いに向かい合う一対の円錐体からなる鼓状体１２４Ｂを形成する（図４（ｃ））。
【０００８】
次に、鼓状体１２４Ｂ及びシリコン基板１２１の表面に薄い第１の熱酸化膜１２５を形成する（図４（ｄ））。
【０００９】
その後、微小エッチングマスク１２２Ｂを用いてシリコン基板１２１に対して異方性ドライエッチングを行うことにより、鼓状体１２４Ｂを鼓状の柱状体１２４Ｃに変形させる（図４（ｅ））。
【００１０】
次に熱酸化法により鼓状の柱状体１２４Ｃ及びシリコン基板１２１の表面に第２の熱酸化膜１２６を形成することにより、鼓状の柱状体１２４Ｃの内部に、微小な径を持ち且つ急峻な先端を有するタワー状の陰極１２７を形成する（図４（ｆ））。
【００１１】
その後、蒸着法により微小エッチングマスク１２２Ｂの上及び該微小エッチングマスク１２２Ｂの周辺におけるシリコン基板１２１の上に、絶縁膜１２８及び金属膜１２９を順次堆積する（図４（ｇ））。
【００１２】
更に、第２の熱酸化膜１２６に対してウェットエッチングを行うことにより、微小エッチングマスク１２２Ｂ及び該微小エッチングマスク１２２Ｂの上に堆積されている絶縁膜１２８及び金属膜１２９を除去すると、タワー状の陰極１２７が露出すると共に、微小エッチングマスク１２２Ｂの径と同寸の内径を有する金属膜１２９よりなる引出し電極１２９Ａが形成される（図４（ｈ））。
【００１３】
このようにして形成された電界放出型電子源素子は、微小なエミッタを高密度に集積し、且つ小さいゲート開口径を有するので、比較的低い電圧によって高密度の電界放出電流を得ることが可能である。
【特許文献１】Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９、ｐ．３５０４（１９８６）
【特許文献２】Ｈ．Ｆ．Ｇｒａｙ  ｅｔ  ａｌ．，ＩＥＤＭ  Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇ．  ｐ．７７６（１９８６）
【特許文献３】別井、１９９０年秋季信学全大論文集５、ＳＣ−８−２（１９９０）
【特許文献４】ヨーロッパ公開公報：６３７０５０Ａ２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
今後の応用展開を考えると更なる高電流密度化が望まれる。その為には、エミッタを形成する時のハードマスク１２２Ｂを小さくしてエミッタ外径をより細くし、より高密度にエミッタを集積すれば良い。
【００１５】
従来は、前述したようにハードマスク越しに等方性と異方性とのドライエッチングを組み合わせて先端に突起形状を有する柱状のエミッタを形成していた。
【００１６】
しかしながら、特に等方性のエッチングは非平衡状態のプラズマプロセスによって実行するので、基板上の局所的なガス濃度の違いに応じてエッチング速度にばらつきが生じ、より微細化されたハードマスクに対して面内均一性を確保するのが非常に困難である。
【００１７】
その為、場合によっては熱酸化後に急峻な先端部が得られないという問題や、等方性エッチング後に先端部が細くなり過ぎてハードマスクが脱落するといった問題が生じることとなり、再現性良く安定に高密度のエミッタを作製することが非常に大きな問題となっている。
【００１８】
本発明の目的は、微小なエミッタが高密度に集積した大電流密度の可能な電界放出型電子源素子を、安定に、再現性良く提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係る電界放出型電子源素子は、急峻な先端を有するように基板上に形成された導電性を有する複数のエミッタと、各エミッタの先端から電子が放出されるように各エミッタに電圧を印加するために各エミッタを囲むように形成された引出電極とを具備しており、各エミッタに含まれる不純物の濃度は、各エミッタの先端において局所的に高くなっていることを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る電界放出型電子源の製造方法は、導電性シリコン基板、若しくは表面層に不純物を導入してその表面を導電性としたシリコン基板の表面に耐熱性絶縁膜よりなる所定の形状のマスク越しに不純物を導入した後、前記マスクの端部から中心部に向かって導入された不純物が半円弧状に分布する条件によって熱処理を行い、続けて前記マスクに対してシリコン表面の異方性エッチングを行って柱状シリコンを形成し、その後前記マスクを残したまま表面全体の熱酸化を行って前記柱状シリコンの上部に急峻な突起を形成することを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る電界放出型電子源の製造方法は、導電性シリコン基板、若しくは表面層に不純物を導入してその表面を導電性としたシリコン基板の表面に耐熱性絶縁膜よりなる所定の形状のマスク越しに不純物を注入した後、前記マスクの端部から中心部に向かって注入された不純物が半円弧状に分布する条件によって熱処理を行い、続けて前記マスク越しに不純物が導入された領域を選択的にエッチング除去して前記マスク下部に先端が凸状のシリコンを形成し、更に続けて前記マスクに対して異方性のエッチングを行って先端部が凸状の柱状シリコンを形成し、その後前記マスクを残したまま表面全体の熱酸化を行って前記柱状シリコンの上部に急峻な突起を形成することを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る電界放出型電子源の他の製造方法は、導電性シリコン基板、若しくは表面層に不純物を導入してその表面を導電性としたシリコン基板の表面に耐熱性絶縁膜よりなる所定の形状のマスク越しに不純物を注入した後、前記マスクの端部から中心部に向かって注入された不純物が半円弧状に分布する条件によって熱処理を行い、続けて前記マスク越しに不純物が注入された領域を選択的にエッチング除去して前記マスク下部に先端が凸状のシリコンを形成し、更に続けて前記マスクに対して異方性のエッチングを行って先端部が凸状の柱状シリコンを形成し、その後前記マスクを残したまま表面全体の熱酸化を行って前記柱状シリコンの上部に急峻な突起を形成することを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る電界放出型電子源のさらに他の製造方法は、導電性シリコン基板、若しくは表面層に不純物を導入してその表面を導電性としたシリコン基板の表面に耐熱性絶縁膜よりなる所定の形状のマスク越しに気相拡散又は固相拡散によって前記マスクの端部から中心部に向かって半円弧状に不純物の拡散を行い、続けて前記マスク越しに不純物が拡散された領域を選択的にエッチング除去して前記マスク下部に先端が凸状のシリコンを形成し、更に続けて前記マスクに対して異方性のエッチングを行って先端部が凸状の柱状シリコンを形成し、その後前記マスクを残したまま表面全体の熱酸化を行って前記柱状シリコンの上部に急峻な突起を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、微小なエミッタが高密度で集積した大電流密度の可能な電界放出型電子源素子を、安定に、再現性良く提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本実施の形態に係る電界放出型電子源素子においては、各エミッタに含まれる不純物の濃度は、各エミッタの先端において局所的に高くなっている。このため、各エミッタの先端において電子濃度が高くなる。従って、引き出し電極からの電界に対する電子の放出が容易になる。その結果、従来よりも低い電圧によって各エミッタから電子を放出することができる。
【００２６】
この実施の形態では、前記不純物は、ドナー性不純物であることが好ましい。
【００２７】
前記基板は、ホウ素を不純物として含んでおり、前記ドナー性不純物は、リンと砒素とから選択される少なくとも１つを含んでいることが好ましい。
【００２８】
前記引出電極と前記基板との間に形成された絶縁層をさらに具備することが好ましい。
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３０】
図１（ａ）は本実施の形態に係る電界放出型電子源素子１００の構成を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す面ＡＡに沿った断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）に示す面ＢＢに沿った断面図である。
【００３１】
電界放出型電子源素子１００は、不純物を導入して低抵抗化した円板形状の基板１を備えている。基板１は、ホウ素を不純物として含んでいる。基板１の上には、急峻な先端を有するように形成された導電性を有する複数のエミッタ１ｂが設けられている。
【００３２】
各エミッタ１ｂを挟むように絶縁膜５が基板１の上に形成されている。絶縁膜５の上には、各エミッタ１ｂの先端から電子が放出されるように各エミッタ１ｂに電圧を印加するために各エミッタ１ｂを囲むように引出電極６ａが形成されている。各エミッタの先端３ｃの表面には、高濃度の不純物が局所的に導入されている。
【００３３】
各エミッタ１ｂの表面に導入された不純物は、ドナー性不純物であることが好ましく、このドナー性不純物は、リンと砒素とから選択される少なくとも１つを含んでいることが好ましい。
【００３４】
電界放出型電子源素子１００は、高密度のエミッタ配置を実現するため、引き出し電極６ａの開口部に対して、断面ＡＡに平行な方向に沿って隣り合うエミッタ１ｂ間には、図１（ｂ）に示すように、隔壁となる絶縁膜５が無く、且つ個々のエミッタ１ｂは周囲を引き出し電極６ａで囲まれて形成されている構造を有しており、微細なエミッタ１ｂを高密度に配置しても、良好な特性が得られるように工夫されている。
【００３５】
このように構成された電界放出型電子源素子１００は、以下のようにして製造される。図２（ａ）ないし図２（ｇ）は、本実施の形態に係る電界放出型電子源素子１００の製造方法を示す断面図である。
【００３６】
まず、不純物を導入して低抵抗化したシリコン基板１の表面に、円盤状のドットパターン２を形成する（図２（ａ））。そして、ドットパターン２をマスクとしてシリコン基板１の表面に、シリコンに対してドナーとなる不純物を所定の深さまでイオン注入し、不純物導入領域３ａを部分的に形成する。本実施の形態では、Ｐ型の基板となるようにホウ素を導入し、ドナー不純物をリンとして用いた。また、ドットパターン２を厚さ１５０ナノメータ（ｎｍ）、直径０．３マイクロメータ（μｍ）の二酸化シリコン膜によって形成した。各ドットパターン２の間の中心間距離（ピッチ）は０．５マイクロメータ（μｍ）とした。
【００３７】
次に、部分的に不純物を導入されたシリコン基板１を所定の温度で一定時間熱処理し、導入された不純物をドットパターン２の端部から中央部に向かって円弧状に拡散させて拡散不純物領域３ｂを形成する（図２（ｂ））。
【００３８】
その後、ドットパターン２をマスクとして、拡散不純物領域３ｂ及びシリコン基板１の一部を所定の深さまで、エッチング側面がほぼ垂直になるように異方性エッチングを行ない、柱状シリコン１ａを形成する。本実施の形態では、柱状シリコン１ａの高さを０．４マイクロメータ（μｍ）とした（図２（ｃ））。
【００３９】
この柱状シリコン１ａは、図示したような断面を見ると、最上部はドットパターン２の端部から中心部に向かって（図では水平方向に）深く不純物が拡散しており、中心部まで拡散している距離は、下部に向かって短くなり、おおよそ高さの半分くらいまで下がった領域は、殆どシリコン基板１の不純物濃度となっている。
【００４０】
一般に、シリコンの酸化速度はシリコン中に存在する不純物濃度に応じて異なり、不純物濃度が高い程その酸化速度は高くなることが知られている。上述の様な部分的に異なる濃度の不純物が存在している柱状シリコン１ａが形成された基板に対して、酸化雰囲気中において所定の温度、条件で熱処理を行なうと、図２（ｄ）に示すように、内部に先鋭な先端部を有する柱状のエミッタ１ｂを形成することができる。
【００４１】
この場合、柱状シリコン１ａの上部に存在した高濃度不純物の一部は熱酸化膜４中に取り込まれると共に、他の一部はエミッタ１ｂの先端部に拡散・残留する。このため、図２（ｅ）に示すように、熱酸化膜４を除去してもエミッタ１ｂの先端３ｃに、エミッタ１ｂの母体よりも不純物濃度の高い高濃度不純物領域を自己整合的に形成することができる。
【００４２】
そして、熱酸化膜４を除去した後、熱ＣＶＤ法或いはプラズマＣＶＤ法を用いてエミッタ１ｂを含む基板全面に絶縁膜５及び導電性膜６を成膜する（図２（ｆ））。その後、全面にフォトレジスト或いは塗布型の絶縁膜よりなる平坦化膜７を塗布する。平坦化膜７の全面に対して均一にエッチングを進めて、エミッタ１ｂの形状を反映した導電性膜６の凸部の一部を露出させた状態で導電性膜６のエッチングを行い、図２（ｇ）に示すように、エミッタ１ｂの上部の導電性膜６に開口部を設けて引き出し電極６ａを形成する。
【００４３】
その後、エミッタ１ｂに対して外部から電位を印加することができるように導電性膜６を所定の形状にパターニングして実装電極部を形成する。更にエミッタ１ｂの電位を制御することができるように、絶縁膜５に形成したコンタクトホールを介してエミッタ１ｂと同電位の表面にアルミニウム等からなる実装電極８を形成する。
【００４４】
その後、引き出し電極６ａの開口部を介して絶縁膜５の一部をエッチング除去してエミッタ１ｂを露出させることで電界放出型電子源が完成する。
【００４５】
このように構成された電界放出型電子源素子１００においては、エミッタ１ｂに対して引き出し電極６ａに正の電界を印加すると、複数のエミッタ１ｂのそれぞれの先端から電界効果により電子が放出される。
【００４６】
本実施の形態においては、シリコン基板１の表面に先鋭な先端部を有するエミッタ１ｂを形成するために、従来のようにマスク下のシリコンの等方性エッチングと異方性エッチングを組み合わせて形成するのではなく、イオンを導入することによる不純物濃度分布を意図的に作った後に、不純物領域の増速酸化作用を利用して先鋭な先端部を形成することにその特徴がある。
【００４７】
通常、ドライエッチング法を用いて所定の形状を形成しようとする場合、エッチング時の基板表面のガスやイオン、ラジカル等の局所的な濃度分布の影響や、不安定なガスの流れや圧力の変化、或いは非平衡状態のプラズマを用いている事などの理由によって、その所定の形状を再現性良く制御することは非常に困難であり、少なくとも±５〜１５％程度のばらつきが生じる。
【００４８】
特にパターンサイズが微小化すると、その影響は益々甚大になる。このため、微細なエミッタを高密度に配置した電界放射型電子源を再現性良く製造するのは非常に困難であった。
【００４９】
一方、本実施の形態に係る電界放出型電子源素子の製造方法においては、エミッタ１ｂの先端部の形状を決定するのは、イオン導入とその後の熱処理とによって形成する高濃度不純物領域の濃度分布である。イオン導入は通常、高真空中において質量分離したイオンを電界加速によって基板に打ち込む。このため、非常に制御性が良く、不純物濃度のばらつきはせいぜい±２〜５％程度である。またイオンを導入した後の熱処理によるマスク下部への不純物の拡散は基本的に熱平衡状態下において行なわれるため、拡散対象の基板材料や導入不純物による違いを最適化さえしておけば、非常に安定に制御することができるという利点がある。
【００５０】
その結果、パターンが微細化しても安定した形状のエミッタを再現性良く製造することができ、高密度のエミッタを容易に実現することができた。
【００５１】
更に本実施の形態に係る方法では、イオン導入とその後の熱処理とによって形成した高濃度不純物領域中の不純物は、先鋭化のための熱酸化処理時にその殆どが酸化膜中に取り込まれるが、その一部は熱酸化中に低濃度のシリコンと熱酸化膜との間の界面付近にも拡散する。このため、熱酸化膜を除去した後のエミッタ先端部表面付近の不純物濃度を僅かに高くすることができる。その結果、エミッタ先端部に引き出し電極による電界を印加した際のエミッタ先端部の電子濃度を高くすることができる。従って、電界放出の低電圧化或いは大電流密度化を実現することが可能となった。
【００５２】
また本実施の形態においては、シリコン基板を低抵抗化するために導入した不純物と、ハードマスクを形成した後に一部に高濃度領域を形成するためにイオン導入した不純物とは、いずれも相対的にドナーが多くなるような不純物の組み合わせであれば、本発明の要件を満たす。例えば、ホウ素などを不純物として含むＰ型のシリコン基板の表面に、相対的にイオン密度が高くなるように、即ち表面がＮ型となるように、リンやヒ素等のドナー性不純物を導入して低抵抗化し、ハードマスクを形成した後、同じくリンやヒ素などのドナー性不純物を、基板表面濃度よりもイオン密度が高くなるように導入することによって高濃度領域を形成すればよい。ここで、導入するイオンの種類は本発明の本質的な要件ではなく、どの様な組み合わせでも構わない。
【００５３】
高濃度領域を形成するためのイオン導入の導入深さは、実現しようとするエミッタのサイズに応じて適宜設定すればよいが、概ねハードマスクの径の３分の１程度、或いはエミッタの高さの２分の１程度が目安となる。
【００５４】
以上のように本実施の形態によれば、各エミッタ１ｂに含まれる不純物の濃度は、各エミッタ１ｂの先端３ｃにおいて局所的に高くなっている。このため、各エミッタ１の先端３ｃにおいて電子濃度が高くなる。従って、引き出し電極６ａからの電界に対する電子の放出が容易になる。その結果、従来よりも低い電圧によって各エミッタ１ｂから電子を放出することができる。
【００５５】
図３（ａ）ないし図３（ｇ）は、本実施の形態に係る電界放出型電子源素子の他の製造方法を示す断面図である。図１（ａ）ないし図１（ｃ）および図２（ａ）ないし図２（ｇ）を参照して前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００５６】
まず、不純物を導入して低抵抗化したシリコン基板１の表面に、円盤状のドットパターン２を形成する（図３（ａ））。そして、ドットパターン２をマスクとしてシリコン基板１の表面に、シリコンに対してドナーとなる不純物を所定の深さまで導入し、部分的に不純物導入領域３ａを形成する。本実施の形態では、ドットパターン２を厚さ２００ナノメータ（ｎｍ）、直径０．５マイクロメータ（μｍ）の二酸化シリコン膜で形成した。各ドットパターン２の間の中心間距離（ピッチ）は０．８マイクロメータ（μｍ）とした。
【００５７】
次に、部分的に不純物を導入されたシリコン基板１を所定の温度で一定時間熱処理し、導入された不純物をドットパターン２の端部から中央部に向かって円弧状に拡散させ、拡散不純物領域３ｂを形成する（図３（ｂ））。
【００５８】
その後、拡散不純物領域３ｂのみをウエットエッチング法により選択的に除去して、ドットパターン２の下部に円錐状シリコン１ｄを形成する（図３（ｃ））。
【００５９】
上記円錐状シリコン１ｄを形成する際のエッチングには、下地シリコン基板１と拡散不純物領域３ｂとの選択比の高いエッチングが必要であるが、拡散不純物領域３ｂの不純物濃度は均一ではなく深さ方向に向かって薄くなる濃度分布を有するため、形成された円錐状シリコン１ｄの表面層には、シリコン基板１内の不純物濃度より若干高めの高濃度不純物領域３ｃが残っている。なお本実施の形態では、拡散不純物領域３ｂの選択エッチング液として、弗酸、硝酸および酢酸を１：３：８、若しくは１：１５：４０で混合した液を用いた。
【００６０】
拡散不純物領域３ｂの選択エッチング後、ドットパターン２をマスクとしてシリコン基板１の表面を断面がほぼ垂直になるように異方性エッチングを行ない、先端部に円錐状シリコン１ｄを残した柱状シリコン１ｅを形成する（図３（ｄ））。
【００６１】
続けて酸化雰囲気中において所定の温度、条件で表面全体の熱酸化を行なうと、柱状シリコン１ｅの熱酸化膜４の内部に先鋭な先端部を有する柱状のエミッタ１ｆを形成することができる（図３（ｅ））。この時、柱状シリコン１ｅ先端部の表面に存在していた高濃度不純物領域３ｃ内の不純物の一部は熱酸化膜４中に取り込まれると共に、他の一部はエミッタ１ｆの先端部に拡散・残留する。このため、図３（ｆ）に示すように、熱酸化膜４を除去してもエミッタ１ｂの先端部に高濃度不純物領域３ｃを自己整合的に形成することができる。
【００６２】
熱酸化膜４を除去した後、熱ＣＶＤ法或いはプラズマＣＶＤ法を用いてエミッタ１ｆを含む基板全面に絶縁膜及び導電性膜を成膜する。その後、全面にフォトレジスト、或いは塗布型の絶縁膜よりなる平坦化膜（図示せず）を塗布する。平坦化膜の全面に対して均一にエッチングを進めて、エミッタ１ｂの形状を反映した導電性膜の凸部の一部を露出させた状態において導電性膜をエッチングし、エミッタの上部の導電性膜に開口部を形成して引き出し電極６ａを形成する。
【００６３】
その後、エミッタ１ｆに対して外部から電位を印加できるように導電性膜を所定の形状にパターニングして実装電極部を形成する。更にエミッタ１ｂの電位を制御することができるように、絶縁膜５に形成したコンタクトホールを介してエミッタと同電位の表面にアルミニウム等からなる実装電極を形成する。
【００６４】
その後、引き出し電極６ａの開口部を介して絶縁膜５の一部をエッチング除去してエミッタ１ｂを露出させることによって図３（ｇ）に示すように電界放出型電子源が完成する。
【００６５】
本実施の形態の電界放出型電子源においても前述した実施の形態と同様に、高密度のエミッタ配置を実現するため、引き出し電極６ａの開口部に対して、隣り合うエミッタ１ｂ間には隔壁となる絶縁膜６が無く、且つ個々のエミッタ１ｂは周囲を引き出し電極６ａで囲まれて形成されている構造を有しており（図１（ｂ）および図１（ｃ））、微細なエミッタを高密度に配置しても、良好な特性が得られるよう工夫されている。
【００６６】
本構成の素子に対して、エミッタ１ｂに対して引き出し電極６ａに正の電界を印加すると、複数のエミッタ１ｂのそれぞれの先端から電界効果により電子が放出される。
【００６７】
本実施の形態においては、シリコン基板の表面に先鋭な先端部を有するエミッタを形成するために、従来のようなマスク下のシリコンの等方性エッチングと異方性エッチングを組み合わせて行なうのではなく、イオン導入によって不純物濃度分布を意図的に作った後に、高濃度不純物領域と低濃度不純物領域とのエッチング選択性を利用してドットパターン下部に円錐状のシリコンを形成し、その後、熱酸化によって先鋭な先端部を形成することにその特徴がある。
【００６８】
前述したように、通常のドライエッチング法を用いて所定の形状を形成しようとすると、高密度、微細化パターンのエミッタを有する電界放射型電子源を再現性良く製造することは非常に困難であるのに対して、本実施の形態に係る方法でエミッタの先端部の形状を決定するのは、イオン導入とその後の熱処理とによって形成する高濃度不純物領域の濃度分布であり、パターンが微細化しても安定した形状のエミッタを再現性良く製造することができ、高密度のエミッタを容易に実現することができた。
【００６９】
更に本実施の形態の方法では、イオン導入とその後の熱処理とによって形成した高濃度不純物領域中の不純物は、選択エッチングの際に概ね除去されるが、表面から遠く、若干濃度が低くなっている領域の一部は熱酸化後もシリコン表面に残るため、エミッタの先端部における表面付近の不純物濃度を僅かに高くすることができる。その結果、エミッタの先端部に引き出し電極による電界を印加した際におけるエミッタの先端部の電子濃度が高くなる。このため、電界放出の際の電流密度を大きくすることが可能となった。
【００７０】
また本実施の形態においては、シリコン基板を低抵抗化するために導入した不純物、ハードマスクを形成した後に一部に高濃度領域を形成するためにイオン導入した不純物は、いずれも相対的にドナーが多くなるような不純物の組み合わせであれば、本発明の要件を満たす。例えば、ホウ素などを不純物として含むＰ型のシリコン基板の表面に、相対的にイオン密度が高くなるように、即ち表面がＮ型となるように、リンやヒ素等のドナー性不純物を導入して低抵抗化し、ハードマスクを形成した後、同じくリンやヒ素などのドナー性不純物を、基板表面濃度よりもイオン密度が高くなるように導入することによって高濃度領域を形成すればよい。ここで、導入するイオンの種類は本発明の本質的な要件ではなく、どの様な組み合わせでも構わない。
【００７１】
高濃度領域を形成するためのイオン導入の導入深さは、実現しようとするエミッタのサイズに応じて適宜設定すればよいが、概ねハードマスクの径の３分の１程度、或いはエミッタの高さの２分の１程度が目安となる。
【００７２】
以上、上記２つの実施の形態においては、いずれもイオン注入法によって不純物の導入を行ったが、これに限るものではない。例えば、気相拡散法や固相拡散法によっても不純物を導入することができる。
【００７３】
以下、気相拡散層、固相拡散層による実施の形態を説明する。まず、表面に円盤状のドットパターンを形成した低抵抗シリコン基板を、シリコンに対してドナーとなる不純物を少なくとも含むガス雰囲気内において所定の温度および圧力の条件によって一定時間熱処理するか、あるいは、シリコンに対して、ドナーとなる不純物を高濃度に含む無機膜または有機膜を表面に塗布した後、所定の雰囲気および温度において一定時間熱処理することで、シリコン基板の表面とドットパターンの端部から中央部に向かって円弧状に不純物を拡散させ、拡散不純物領域を形成する。
【００７４】
その後、ドットパターンをマスクとして拡散不純物領域およびシリコン基板の一部を所定の深さまで異方性エッチングを行って柱状シリコンを形成した後、熱酸化を行い、増速酸化作用により柱状シリコンの先端部を先端化する。
【００７５】
このようにドットマスクパターンの下部に円弧状の不純物拡散層を形成する方法として気相拡散法または固相拡散法を用いる不純物拡散方法は、半導体技術分野において用いられている。この気相拡散法または固相拡散法を用いる不純物拡散方法では、不純物の種類および処理条件によっても異なるが、酸化膜等のハードマスクの存在によりシリコン基板が露出した表面の深さ方向への拡散と同時にハードマスクパターンの下部にも円弧状に不純物が拡散する。
【００７６】
本実施の形態においては、このような気相拡散法または固相拡散法によって、不純物分布による熱酸化速度およびエッチング速度の差異を利用して所望の先鋭な先端形状を有するエミッタを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】（ａ）は本実施の形態に係る電界放出型電子源素子の構成を示す平面図であり、  （ｂ）は（ａ）に示す面ＡＡに沿った断面図であり、  （ｃ）は（ａ）に示す面ＢＢに沿った断面図である。
【図２】（ａ）ないし（ｇ）は、本実施の形態に係る電界放出型電子源素子の製造方法を示す断面図である。
【図３】（ａ）ないし（ｇ）は、本実施の形態に係る電界放出型電子源素子の他の製造方法を示す断面図である。
【図４】（ａ）ないし（ｈ）は、従来の電界放出型電子源素子の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１    シリコン基板
１ａ  柱状シリコン
１ｂ  エミッタ
２    ドットパターン
３ａ  不純物導入領域
３ｂ  拡散不純物領域
３ｃ  高濃度不純物領域
４    熱酸化膜
５    絶縁膜
６    導電成膜
６ａ  引き出し電極
７    平坦化膜
８    実装電極
【図１】
2005129268.tif 000003
【図２】
2005129268.tif 000004
【図３】
2005129268.tif 000005
【図４】
2005129268.tif 000006